Étude de cas : Processus de fusion de l'aluminium par induction
Objectif
Pour faire fondre efficacement les déchets d'aluminium et les boîtes de conserve à l'aide de technologie de chauffage par inductionL'efficacité énergétique est optimale tout en maintenant l'aluminium fondu de haute qualité à la température requise pour les opérations de coulée.
Equipement
- Générateur de chauffage à induction: Capacité de 160 kW
- Capacité du creuset : Four de fusion d'aluminium de 500 kg
- Type de four : Four à induction hydraulique basculant
- Système de refroidissement : Circuit de refroidissement fermé de la tour d'eau
- Manutention des matériaux : Pont roulant (capacité de 2 tonnes)
- Équipement de sécurité : Dispositifs de contrôle de la température, système d'arrêt d'urgence, équipement de protection individuelle
- Système de filtration : Filtres en mousse céramique pour la purification de l'aluminium fondu
- Système d'échappement : Hotte d'extraction des fumées avec filtration
Système de contrôle
Le processus est géré par un système PLC (Programmable Logic Controller) comprenant :
- Contrôleur Allen-Bradley CompactLogix
- Interface HMI à écran tactile avec représentation graphique des paramètres du processus
- Surveillance en temps réel de :
- Puissance absorbée (kW)
- Courant de la bobine (A)
- Fréquence (kHz)
- Température de refroidissement de l'eau (entrée/sortie)
- Température du métal par thermocouple
- Capacités d'enregistrement des données pour l'optimisation des processus
- Systèmes d'alarme en cas de conditions de fonctionnement anormales
- Plusieurs modes de fonctionnement (manuel, semi-automatique, automatique)
- Stockage des recettes pour différents types d'alliages d'aluminium
Bobine d'induction
- Conception : Bobine hélicoïdale à plusieurs tours conçue sur mesure
- Construction : Tube en cuivre refroidi à l'eau (25 mm de diamètre)
- Tourner : 12 tours avec un espacement optimisé pour un chauffage uniforme
- Isolation : Isolation en fibre céramique haute température (jusqu'à 1200°C)
- Protection de la bobine : Revêtement céramique anti-éclaboussures
- Connexions électriques : Barres bus en cuivre argenté
- Système de refroidissement : Circuit d'eau dédié avec contrôle du débit (débit minimum : 45 L/min)
Fréquence
- Fréquence de fonctionnement : 8 kHz
- Sélectionné pour une profondeur de pénétration optimale dans l'aluminium (environ 3,5 mm)
- Stabilité de la fréquence maintenue à ±0,2 kHz pendant le fonctionnement
- Ajustement automatique de la fréquence en fonction des conditions de charge
Matériau
- Le creuset : Creuset en graphite de haute densité pressé isostatiquement
- Épaisseur de la paroi : 50 mm
- Durée de vie : environ 100 cycles de fusion
- Conductivité thermique : 120 W/(m-K)
- Matériel de charge :
- Débris d'extrusion d'aluminium (70%)
- Canettes de boisson en aluminium usagées (20%)
- Tournage de machines en aluminium (10%)
- Taille moyenne du matériau : 50-200 mm
Température
- Température de fusion cible : 720°C (±10°C)
- Température de charge initiale : 25°C (ambiante)
- Vitesse de chauffe : environ 10°C/minute
- Vérification de la température : Thermocouple à immersion (type K) avec lecture numérique
- Surchauffe maintenue pendant 20 minutes avant d'être versée.
- Limite maximale de température : 760°C (pour éviter une oxydation excessive)
Consommation d'énergie
- Consommation moyenne d'énergie : 378 kWh/tonne
- Facteur de puissance : 0,92 (avec correction du facteur de puissance)
- Répartition de l'énergie spécifique :
- Énergie théorique requise pour la fusion de l'aluminium : 320 kWh/tonne
- Pertes de chaleur : 58 kWh/tonne
- Efficacité du système : 84,7%
Processus
| Étape du processus | Temps (min) | Puissance absorbée (kW) | Température (°C) | Observations |
|---|---|---|---|---|
| Taxe initiale | 0 | 0 | 25 | 500 kg de déchets d'aluminium chargés |
| Préchauffage | 0-15 | 80 | 25-200 | Augmentation progressive de la puissance pour éliminer l'humidité |
| Phase de chauffage 1 | 15-35 | 140 | 200-550 | Le matériau commence à s'effondrer |
| Chauffage phase 2 | 35-55 | 160 | 550-720 | Une fusion complète se produit |
| Maintien de la température | 55-75 | 40 | 720 | Maintien de la température cible |
| Ajout de flux | 60 | 40 | 720 | 0,5% flux ajouté pour éliminer les impuretés |
| Dégazage | 65 | 40 | 720 | Purge à l'azote pendant 5 minutes |
| Échantillonnage et analyse | 70 | 40 | 720 | Vérification de la composition chimique |
| Verser | 75-85 | 0 | 720-700 | Coulée contrôlée dans les moules |
| Nettoyage du four | 85-100 | 0 | – | Élimination de l'écume, inspection du creuset |
Narratif
L'opération de fusion de l'aluminium à la fonderie XYZ démontre l'efficacité de la fusion par induction pour le recyclage des déchets d'aluminium et des canettes. Le processus commence par un tri et une préparation minutieux des matériaux de charge afin d'éliminer les contaminants tels que les peintures, les revêtements et les matières étrangères susceptibles d'affecter la qualité de la fonte.
Au cours d'un cycle de fusion typique, la charge de 500 kg est chargée dans le creuset en graphite placé dans la bobine d'induction. Le système PLC lance une séquence programmée de montée en puissance pour éviter tout choc thermique au creuset. À mesure que la puissance augmente, le champ électromagnétique induit des courants de Foucault dans l'aluminium, générant de la chaleur à l'intérieur même du métal.
La phase initiale de préchauffage est essentielle pour éliminer l'humidité et les substances volatiles. Lorsque la température approche les 660°C (point de fusion de l'aluminium), le matériau commence à s'effondrer et à former un bain de fusion. L'opérateur surveille le processus via l'interface IHM et effectue les ajustements nécessaires en fonction des données en temps réel.
L'analyse des données révèle notamment que le fonctionnement le plus économe en énergie se produit pendant la phase de chauffage principale, où l'utilisation de l'énergie atteint une efficacité maximale. La consommation d'énergie de 378 kWh/tonne représente une amélioration de 15% par rapport aux précédents fours de fusion à gaz de l'installation.
L'uniformité de la température dans la masse fondue est excellente grâce à l'effet de brassage naturel créé par le champ électromagnétique. Cela élimine la nécessité d'un brassage mécanique et réduit la formation d'oxyde. Le système de refroidissement en circuit fermé maintient des températures de fonctionnement optimales pour la bobine d'induction et les composants électriques, récupérant la chaleur résiduelle pour préchauffer les matériaux entrants.
Après avoir atteint la température cible de 720°C, un flux est ajouté pour faciliter l'élimination des inclusions non métalliques. La purge d'azote à travers une lance en graphite réduit la teneur en hydrogène, minimisant ainsi la porosité potentielle des pièces coulées finales. Avant la coulée, des échantillons sont prélevés pour vérifier la composition chimique et procéder aux ajustements nécessaires.
Le mécanisme de basculement hydraulique permet un contrôle précis de la coulée, réduisant les turbulences et la formation d'oxyde pendant le processus de coulée. L'ensemble de l'opération est réalisé en 100 minutes, depuis le démarrage à froid jusqu'à la coulée finale, ce qui représente un gain de temps considérable par rapport aux méthodes traditionnelles.
Résultats/bénéfices
| Paramètres | Précédent Système à gaz | Système d'induction | Amélioration |
|---|---|---|---|
| Consommation d'énergie (kWh/tonne) | 445 | 378 | Réduction 15% |
| Temps de fusion (min/500kg) | 140 | 100 | Réduction 29% |
| Perte de métal (%) | 5.2 | 2.8 | Réduction 46% |
| Uniformité de la température (±°C) | ±25 | ±10 | Amélioration 60% |
| Émissions de CO₂ (kg/tonne Al) | 142 | 64* | Réduction 55% |
| Heures de travail (heures/tonne) | 1.8 | 0.9 | Réduction 50% |
| Coût annuel de maintenance ($) | $32,500 | $18,700 | Réduction 42% |
| Capacité de production (tonnes/jour) | 4.2 | 6.0 | Augmentation 43% |
| Qualité des produits (taux de défaut %) | 3.5 | 1.2 | Réduction 66% |
| Température du lieu de travail (°C) | 38 | 30 | Amélioration 21% |
*Basé sur la production locale d'électricité
La mise en œuvre de la système de fusion par induction a apporté d'importants avantages opérationnels, environnementaux et économiques. Le contrôle précis de la température et la réduction du temps de fusion ont contribué à l'obtention de pièces moulées de meilleure qualité et présentant moins de défauts. L'amélioration de l'efficacité énergétique a permis de réduire les coûts d'exploitation et l'impact sur l'environnement. En outre, l'amélioration des conditions de travail et la réduction des besoins en main-d'œuvre ont eu un impact positif sur la satisfaction et la productivité de la main-d'œuvre.